Ecosystem responses to heavy metal pollution: analysis of food-chain transfer and effects on structure and functioning in above and below-ground herbivore-plant-detritivore communities in contaminated terrestrial tidal sediments in the Biesbosch
Hoofdaanvragers:
Dr. J. Rozema / Dr. Ir. C.A.M. van Gestel, Vrije Universiteit Amsterdam, Afdeling
Systeemoecologie/Afdeling
Dieroecologie
Onderzoeker:
Mw. Dr. Ir. M. Notten Loopduur: 01-03-2001 tot 01-03-2005
Dr Ir. P. Hobbelen Loopduur: 15-03-2001 tot
15-03-2005
Resultaat van het programma
De
hoofdvraagstelling van dit project was na te gaan of verontreiniging met zware
metalen effecten heeft op het
ecosysteem van de Biesbosch. Het te onderzoeken Biesbosch-ecosysteem betrof
verruigde rietgorzen.
In het
bijzonder is nagegaan hoe zware metaal verontreiniging de structuur en
processen van
plant-herbivoor-detritivoor levensgemeenschappen beinvloedt. Het onderzoek in
dit deelproject had betrekking op
aspecten van de voedselketens en
voedselwebben van bovengrondse (I)
en ondergrondse delen (II) van het
ecosysteem. Onderzoek naar de opname en doorgifte van zware metalen naar
volgende trofische niveaus vormden deel van het onderzoeksproject.
Uit beide
proefschriften en gepubliceerde artikelen moge duidelijk blijken dat de
hoofddoelstelling van dit programma is gerealiseerd.
De zware
metaal gehaltes in de onderdelen van de voedselketen van de bodem-plant-slak en
bodem- regenworm-pissebedden- duizendpoten zijn bepaald en geanalyseerd als
mede
de doorgifte tussen onderdelen van deze
voedselketen.
De
effecten van de (sterke) zware metaal verontreining van het Biesbosch sediment
op ecosysteemstructuur en processen bleken beperkt te
zijn. Wel
bleek zware metaal verontreinigde brandnetel de consumptie en reproductie van de
tuinslak te beinvoeden.Ook bleek zware metaal verontreinigd strooisel de
consumptie door de regenworm Lumbricus rubellus te beinvloeden.
Resultaat van de projecten
014.23.071 Dr. Ir. M.J.M. Notten
Vervuiling van het milieu met metalen is
een
mondiaal probleem. Naast verhoogde concentraties metalen rondom duidelijke
puntbronnen zoals smelters, worden er ook verhoogde concentraties metalen
aangetroffen in gebieden die niet direct beïnvloedt worden door industrie. Nationaal Park de Biesbosch is zo’n gebied. Het is het deltagebied waarin de
Maas en de Rijn samenkomen. Vroeger kende het gebied een duidelijke
getijdenwerking, en waren er stukken land die twee keer per dag overstroomden. In 1969/1970 werd deze getijdenbeweging flink getemperd door de aanleg van de
afwateringssluizen in het Volkerak en het Haringvliet. Dit ging ook gepaard met
een afname van de stroomsnelheid in de rivieren, waardoor er veel slib
sedimenteerde in het gebied. Dit slib was vervuild met metalen en andere
soorten
verontreinigingen. Zodoende is de Biesbosch een voorbeeld van een gebied dat
lang blootgesteld is aan verhoogde concentraties metalen uit verschillende
bronnen. Het gebied wordt vaker omschreven als het ‘bezinkputje van Europa’. Milieumaatregelen hebben ervoor gezorgd dat de waterkwaliteit in de rivieren
sterk is verbeterd, maar de oude lagen slib zijn nog steeds aanwezig. Zodoende
vraagt men zich af of de metalen in deze lagen nog worden opgenomen door
planten
en beesten, en of ze daarop nog schade veroorzaken. In dit onderzoek is
geprobeerd een antwoord te geven op deze vragen.
Daartoe is er een voedselketen uitgekozen
die de situatie in de droge delen van de Biesbosch goed beschrijft. De
voedselketen bestaat uit de bodem, de brandnetel (Urtica dioica) en de
gewone tuinslak (Cepaea nemoralis). Beide soorten komen veel samen voor
in verruigde Biesbosch locaties, en de slakken eten van verse
brandnetelbladeren. In een eerste veldstudie is uitgezocht of er metalen worden
aangetroffen in de onderdelen van deze voedselketen, en of de concentraties in
deze compartimenten aan elkaar gerelateerd zijn. In alle compartimenten werden
metalen gemeten. De concentraties in de bodem waren hoog, en overschreden in
alle gevallen de achtergrondconcentraties voor schone bodems. De concentraties
in de brandnetelbladeren waren relatief laag. Bepaalde bodemeigenschappen
zorgen
ervoor dat de metalen stevig aan de bodem binden, en niet zo makkelijk door de
plant kunnen worden opgenomen. De concentraties in de slak waren wel verhoogd. Slakken worden best oud (zeker ouder dan 5 jaar) en worden dus heel lang
blootgesteld aan de lage metaalconcentraties. Slakken zijn heel goed in het
opslaan van metalen, en dus ook bij lage concentraties is dat na een tijdje
merkbaar. Het bleek verder dat de concentraties in de bladeren en de slakken
aan
elkaar gerelateerd waren, net zoals de concentraties in de bodem en de slakken. Hieruit kan ook worden afgeleid dat er doorgifte van metalen in de voedselketen
is. De doorgifte via brandnetelbladeren is belangrijker dan via de bodem (via
het eten van bodemdeeltjes, en via de huid).
De doorgeefroute van metalen via
brandnetelblad hebben we nader bestudeerd in een ander experiment. Het
experiment onderzocht de opname en uitscheiding van cadmium bij lage
concentraties in het voer. Brandnetels werden opgekweekt op een
voedingsoplossing om een range aan lage Cd concentraties in brandnetelbladeren
te verkrijgen. Deze werden als voer voor de slakken gebruikt. De Cd
concentraties die in de Biesbosch bladeren werden gemeten, kwamen ook voor in
de
range van Cd concentraties in dit experiment. Uit het experiment bleek dat
slakken na 34 dagen op cadmium-vervuild voer geen hogere concentraties cadmium
in hun lichaam hadden. Wij suggereren dat er sprake is van een regulatie van
cadmiumconcentraties in de slak bij lage concentraties in het voer. Het
opgenomen Cd wordt niet allen uitgescheiden via de poep, maar ook via het
slijm.
Metaalconcentraties geven niet direct
informatie over de herkomst van de vervuiling. Deze is in een ander
deelonderzoek bestudeerd. De gebruikte techniek geeft alleen informatie over
lood in het milieu. Het bleek dat het lood in de Biesbosch grotendeels (88 - 90
%) van menselijke activiteiten afkomstig is. Ook in een referentielocatie
elders
in Nederland, waar de bodemconcentraties voldoen aan de normen, bleek dat ook
nog een behoorlijk deel van de vervuiling door de mens was veroorzaakt. Het
lood
in de bodem van de Biesbosch is afkomstig uit de rivier, en is via sedimentatie
op het land terechtgekomen. Dit is heel begrijpelijk als je de geschiedenis van
de Biesbosch voor ogen hebt. Er zijn verschillende Pb bronnen die bijdragen aan
dit ‘menselijk’ lood, en deze zijn afkomstig uit industrieën in de
stroomopwaarts gelegen gebieden. Wat de Pb vervuiling in planten en slakken
betreft, bleek dat er een duidelijke bijdrage was van de huidige loodvervuiling
in de lucht. Meest waarschijnlijk is de Pb vervuiling in de planten en slakken
een mengsel van Pb uit de lucht en Pb uit de bodem (door sedimentatie). Deze
loodafkomsten kunnen via verschillende routes bij de planten en slakken
terechtkomen, en gaan gepaard met lage Pb concentraties. De Pb concentraties in
de lucht en regenwater zijn dan wel laag, maar kunnen dus wel degelijk nog van
invloed zijn op de concentraties in slakken en planten. Een exacte bijdrage van
het Pb uit de lucht aan de Pb vervuiling in de voedselketen kan niet worden
gegeven.
Vervolgens hebben we onderzoek gedaan naar
de gevolgen van de verhoogde metaalconcentraties op de slakken in de Biesbosch. Daarvoor hebben we ook gebruikt gemaakt van een heel erg vervuilde locatie vlak
bij een zinkverwerkende fabriek in België. De concentraties in slakken en
vegetatie in deze locatie waren erg hoog, en als er metaaleffecten zijn, zouden
die hier in ieder geval meetbaar moeten zijn. In een eerste experiment werd
bestudeerd wat de gevolgen zijn van een mengsel van metaalconcentraties in
bladeren uit het veld op bladconsumptie door slakken. Het bleek dat slakken
minder aten van vervuilde bladeren, en dat het niet uitmaakte of het om ‘vieze’
of ‘schone’ slakken ging. Maar de
concentraties in de gebruikte bladeren waren wel heel erg hoog in vergelijking
met de concentraties in Biesbosch bladeren. Vanuit dit perspectief is het
onwaarschijnlijk dat slakken in de Biesbosch minder eten door metaalvervuiling. In een tweede proef werd gekeken of er verschillen waren in reproductie tussen
slakken uit 4 locaties: 2 Biesbosch locaties, de zwaar vervuilde Belgische
locatie en een Nederlandse referentielocatie. Uit dit experiment blijkt niet
dat
de reproductie (gemeten als aantal legsels en legselgrootte) van Biesbosch
slakken lager is. Eèn Biesbosch locatie vertoonde zelfs een duidelijk hogere
reproductie, en dit wijst erop dat andere factoren dan metaalvervuiling
belangrijker zijn in het bepalen van reproductief succes. Slakken uit de
Belgische locatie legden geen eieren. Wij vermoeden dat dit wel veroorzaakt is
door de hoge metaalconcentraties in de slakken en het hun omringende milieu. De
slakken eten minder, zoals uit het eerdere experiment blijkt, en dan kost het
ook nog veel energie om die metalen te verwerken. Dan blijft er minder energie
over om in voortplanting te investeren.
Al met al toont het hele onderzoek aan dat
er inderdaad sprake is van metaalvervuiling in de bodem-plant-slak voedselketen
in de Biesbosch. Op basis van het onderzoek blijkt niet dat consumptie en
reproductie van de slakken beïnvloed worden, en wordt er ook geen effect
verwacht op groei van Biesbosch slakken.
014.23.072 Dr. Ir. P.H.F. Hobbelen
Als
gevolg van anthropogene emissies bereikten de zware metaalconcentraties in de
rivieren Rijn en Maas een hoogtepunt aan het eind van de jaren zestig en in de
jaren zeventig van de vorige eeuw. Depositie van vervuilde deeltjes die met het
rivierwater werden meegevoerd, zorgde ervoor dat de bodems van de rivieren en
hun overstromingsgebieden ook vervuild raakten. Hoewel de watervervuiling van
de
rivieren de Rijn en de Maas weer afnam na de jaren zeventig als gevolg van een
strenger milieu beleid van betrokken regeringen, zijn de concentraties van
zware
metalen in de sedimenten van rivieren en hun overstromingsgebieden nog steeds
hoog. Een van deze vervuilde gebieden is de Biesbosch, het deltagebied van de
Rijn en de Maas. Het doel van dit proefschrift is de gevolgen van de zware
metaalvervuiling voor de samenstelling en het functioneren van de bodemfauna in
de Biesbosch te bepalen.
Bodemorganismen
die behoren tot de groep van de detritivoren voeden zich met dood organisch
materiaal en spelen een belangrijke rol in de elementenkringloop in
ecosystemen. Ze dragen bij aan de mineralisatie van elementen die zijn vastgelegd in
organische stof, bijvoorbeeld koolstof, stikstof en fosfaat, en maken deze weer
beschikbaar voor opname door planten. Binnen de detritivoren richt deze studie
zich op de groep van de fragmenteerders, die zo heten omdat zij afgestorven
plantenmateriaal (strooisel) eten en dit in kleinere stukken verdelen. Tot de
fragmenteerders behoren diergroepen als de regenwormen, potwormen, pissebedden,
miljoenpoten, mijten, slakken en insektelarven. Fragmenteerders kunnen de
mineralisatie van stoffen in strooisel zowel positief als negatief beïnvloeden. Ze dragen bij aan de mineralisatie door ademhaling (vorming van CO2)
en door de uitscheiding van nutriënten in afvalprodukten (urine en ontlasting). Ze kunnen de mineralisatie van strooisel ook indirect beïnvloeden door de
activiteit en samenstelling van de microbiële gemeenschap te veranderen en door
de toegankelijkheid van strooisel als voedselbron voor microorganismen te
veranderen.
Wanneer
te veel metalen opgenomen worden in het lichaam van fragmenteerders kunnen
verschillende effecten optreden. Literatuurgegevens laten zien dat zware
metalen
de groei, reproduktie en overleving van fragmenteerders negatief beïnvloeden. Weinig gegevens zijn beschikbaar over de effecten van metaalvervuiling op de
1. Wat
zijn de effecten van zware metaalvervuiling op de structuur van
levensgemeenschappen van fragmenteerders?
2. Wat
zijn de effecten van zware metaalvervuiling op het functioneren van
fragmenteerders?
3. In
hoeverre kunnen biomarkers een indicatie geven van effecten op de structuur en
het functioneren van levensgemeenschappen van
fragmenteerders.
Dit
onderzoek probeert deze vragen te beantwoorden voor fragmenteerders die in een
specifiek habitat leven: voormalige overstromingsgebieden in de Brabantsche
Biesbosch die gedomineerd worden door een vegatie van brandnetels (Urtica dioica) en riet (Phragmites australis). Om praktische
redenen was het niet mogelijk om alle groepen fragmenteerders en alle zware
metalen te bestuderen. Eerdere onderzoeken in de Biesbosch lieten zien dat
concentraties van de essentiële metalen koper (Cu) en Zink (Zn) en de
niet-essentiële metalen cadmium (Cd) en lood (Pb) in de bodem hoger waren dan
de
interventiewaarden. Deze interventiewaarden worden gebruikt door de Nederlands
overheid om te bepalen of een gebied zo vervuild is dat de bodem gesaneerd moet
worden. Daarom is besloten om het onderzoek op deze vier metalen te richten. Eerst werd er een pilot-experiment uitgevoerd in twee veldgebieden om te
bepalen
welke groepen fragmenteerders er in voormalige overstromingsgebieden in de
Brabantsche Biesbosch voorkomen en welke van deze groepen mogelijk door zware
metalen beïnvloed zouden kunnen worden. De resultaten lieten zien dat
regenwormen, pissebedden en miljoenpoten belangrijke fragmenteerders zijn in de
Biesbosch. Vergelijking van metaalconcentraties gemeten in de Biesbosch met
referentiewaarden uit de literatuur liet zien dat Cd, Cu en Zn gehalten in
regenwormen en Cu gehalten in miljoenpoten verhoogd waren in de Biesbosch en
dat
concentraties in pissebedden vergelijkbaar waren aan achtergrondconcentraties
in
schone gebieden. Meting van een biomarker, de Neutraal Rood Retentietijd
(NRRT),
liet zien dat er bij de regenwormen van de meest vervuilde locatie sprake is
van
stress. Bovendien bleek de NRRT negatief gecorreleerd met het interne
Cu-gehalte
in de regenwormen. Op basis van deze gegevens werd besloten om het onderzoek
verder te richten op de zware metalen Zn, Cu en Cd en fragmenteerders behorende
tot de regenwormen, miljoenpoten en pissebedden.
Een
veldexperiment werd opgezet dat 15 gebieden in de Biesbosch besloeg die een
gradiënt in zware metaalvervuiling vormen. In elk gebied werd de samenstelling
van de gemeenschap bestaande uit regenwormen, miljoenpoten en pissebedden
bepaald en werden metaalconcentraties in verschillende bodemfracties gemeten om
te kijken of zij de structuur van deze gemeenschappen beïnvloedden
(onderzoeksvraag 1). Strooiselzakken en bait-lamina sticks (plastic staafjes
met
gaatjes gevuld met voer, die in de bodem worden gestoken) werden gebruikt om de
eetactiviteit van regenwormen, miljoenpoten en pissebedden te bepalen. Vervolgens is onderzocht of er een verband bestond tussen deze eetactiviteit en
gemeten metaalconcentraties (onderzoeksvraag 2). De resultaten laten zien dat
zware metaalvervuiling in de Biesbosch geen belangrijke invloed heeft op de
structuur van de fragmenteerder-gemeenschap, hoewel de biomassa van regenworm
Lumbricus rubellus positief en
significant gecorreleerd was met Zn concentraties in het poriewater en in
Het
boven beschreven veldexperiment werd maar één keer uitgevoerd. Dichtheden van
soorten en metaalconcentraties in plantaardig en dierlijk weefsel en in de
bodemoplossing kunnen varieren met het seizoen. Daarnaast laten de resultaten
van het pilot –en veldexperiment zien dat metaalconcentraties in regenwormen
verhoogd waren. Daarom werd een laboratoriumexperiment uitgevoerd om de invloed
van Cd, Cu en Zn op de strooiselconsumptie door Lumbricus rubellus te bepalen
(onderzoeksvraag 2). Om de resultaten van dit experiment beter te kunnen
extrapoleren naar veldsituaties, werden volwassen regenwormen, die verzameld
waren in 12 gebieden in de Brabantsche Biesbosch, in het laboratorium in grond
gehouden die ook uit deze gebieden afkomstig was. Daarnaast werden ook
volwassen
regenwormen uit een relatief schoon gebied geïncubeerd in zowel hun eigen grond
als in de 12 vervuilde gronden uit de Biesbosch. Resultaten laten een positieve
invloed van Zn en Cd concentraties in Lumbricus rubellus zien op de
strooiselconsumptie per biomassa van deze regenworm. Een mogelijke verklaring
hiervoor is een verhoogde behoefte aan energie om enzymen aan te kunnen maken
die een rol spelen in de regulatie en detoxificatie van zware metalen in het
lichaam van een regenworm. Er is echter meer onderzoek nodig om deze hypothese
te bevestigen.
De
bovengenoemde studie richtte zich op de effecten van zware metalen op de
voedselconsumptie door individuele adulte regenwormen gedurende een beperkte
tijdsperiode. Om de strooiselconsumptie door hele populaties van regenwormen te
voorspellen moet je de voedselconsumptie van indivuele regenwormen kunnen
beschrijven gedurende hun hele leven als een functie van relevante abiotische
factoren en blootstelling aan toxische stoffen. Daarom is de invloed van de
temperatuur en de voedseldichtheid op de effecten van Cu op de
strooiselconsumptie door Lumbricus
rubellus onderzocht gedurende een lange tijdsperiode (onderzoeksvraag 2),
door gebruik te maken van een Dynamisch Energy Budget-model (DEB-model). Er
werd
voor Cu gekozen omdat er in de literatuur gegevens beschikbaar zijn over de
groei van Lumbricus rubellus,
blootgesteld aan verschillende Cu concentraties. Een DEB-model beschrijft de
energiestromen in een organisme in de tijd. Voor dit onderzoek werd gebruik
gemaakt van een mechanistische DEB-model, ontwikkeld door Prof.dr. S.A.L.M. Kooijman, dat gebaseerd is op fysiologische uitgangspunten. De door het
DEB-model voorspelde kwalitatieve effecten van de temperatuur op de groei van
Lumbricus rubellus waren in
overeenstemming met de meeste gegevens voor deze of andere soorten regenwormen
in de literatuur. Weinig gegevens waren beschikbaar over de invloed van de
temperatuur op de strooiselconsumptie door Lumbricus rubellus en deze waren
strijdig met de modelvoorspellingen. Aangenomen dat het DEB-model de
strooiselconsumptie door Lumbricus
rubellus als functie van diens interne Cu concentratie en de temperatuur en
voedseldichtheid kan beschrijven, voorspelde het model dat de gevoeligheid van
regenwormen voor Cu groter is bij hogere temperaturen voor zowel een constante
als fluctuerende temperatuur. Fluctuatie van de temperatuur op zich maakte voor
de gevoeligheid van Lumbricus
rubellus voor Cu niet uit. Het fluctueren en verhogen van de
voedseldichtheid vergrootte de gevoeligheid van Lumbricus rubellus voor Cu. Een
modelbenadering van de strooiselconsumptie door Lumbricus rubellus zoals boven
beschreven lijkt een goede manier om literatuurgegevens te integreren en om
effecten van toxische stoffen te voorspellen die moeilijk experimenteel te
bepalen zijn, maar relevant zijn voor veldsituaties.
De
resultaten van het hiervoor beschreven pilot– en veldexperiment toonden aan dat
ondanks de hoge metaalconcentraties in de Biesbosch gronden, concentraties in
poriewater en
Er kan geconcludeerd worden dat, ondanks de hoge totale metaalconcentraties in de gronden van de Biesbosch, de oplosbare metaalconcentraties in deze gronden vergelijkbaar zijn met achtergrondwaarden als gevolg van de combinatie van een hoge pH en een hoog klei-, organische stof- en inorganisch koolstofgehalte. Daarom lopen alleen die bodemorganismen risico die vervuilde grond inslikken of in staat zijn om metalen in oplossing te brengen die geadsorbeerd zijn aan klei- en organische stofdeeltjes. Van de organismen die in dit proefschrift bestudeerd zijn, lijken de regenwormen de meeste risico’s te lopen op basis van hun verhoogde interne metaalconcentraties. De resultaten in dit proefschrift laten zien dat interne Zn en Cd concentraties in Lumbricus rubellus de strooiselconsumptie door deze regenworm beïnvloedden, maar op een positieve in plaats van negatieve manier. Dit zou verklaard kunnen worden door een verhoogde behoefte aan energie om enzymen aan te kunnen maken die een rol spelen in de regulatie en detoxificatie van zware metalen in het lichaam van een regenwormen. Er werden geen effecten gevonden van zware metalen op de soortensamenstelling en de eetactiviteit van fragmenteerders op levensgemeenschapsniveau. Er kan worden geconcludeerd dat zware metaalvervuiling geen dominante invloed heeft op de structuur en het functioneren van fragmenteerders in voormalige overstromingsgebieden in de Brabantsche Biesbosch.